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第三篇汽轮机设备及系统第八章汽轮机原理及结构 汽轮机在火电厂中的地位 汽轮机 以水蒸汽为工质 将热能转变为机械能的高速旋转式原动机 优点 1 单机功率大2 效率高3 运转平稳4 单机功率制造成本低5 使用寿命长 电力工业是国民经济的基础产业是重要的公用事业在经济和社会发展中具有举足轻重的地位 汽轮发电机组 汽轮发电机组 汽轮机与发电机的组合 单元机组 锅炉 汽轮机 发电机汽轮机组 汽轮机及其附属设备的总称 发电比例 全世界 各种发电总量的80 是由汽轮机带动发电机产生的 此外 汽轮机还用于带动泵 风机 压气机 船舶螺旋桨等 第一节汽轮机和级的基本概念 一 汽轮机的定义及特点汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式机械 主要用作发电原动机 也用来直接驱动各种泵 风机 压缩机和船舶螺旋桨等 也称为透平 国内制造厂家 三大动力厂 上海汽轮机厂 哈尔滨汽轮机厂 东方汽轮机厂北京重型机械厂 青岛汽轮机厂 武汉汽轮发电机厂和杭州汽轮机厂 二 汽轮机结构简介1 基本部件 喷嘴 动叶 汽缸 2 工作原理 汽流膨胀加速 在喷嘴通道内 蒸汽膨胀 压力和温度降低 汽流速度加快 可见蒸汽从喷嘴的进口到出口实现了由热能向动能的转换 动叶受力旋转 高速流动的蒸汽由喷嘴出口进入动叶 给予动叶以冲动力 通常汽流在动叶槽道中继续膨胀 并转变方向 当汽流离开动叶槽道时 它给叶片以反动力 这两个力的合力 推动动叶带动叶轮和轴旋转 做出机械功 汽轮机的基本工作原理图 汽轮机的级 由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的 将热能转换成机械能的基本工作单元称为汽轮机的级 汽轮机可以是单级的 也可以是多级的 电站汽轮机都是多级汽轮机 四 汽轮机本体的组成 由转动部分 转子 和固定部分 静子 组成 1 转动部分包括主轴 叶轮或轮毂 叶片和联轴器等 2 固定部分包括汽缸 隔板 喷嘴 汽封 紧固件和轴承等 3 固定部分的喷嘴 隔板与转动部分的叶轮 动叶片组成蒸汽热能转换为机械能的通流部分 4 汽缸是约束高压蒸汽不得外泄的外壳 汽轮机本体还设有汽封系统 五 汽轮机辅助系统 主要包括汽水系统 调节保护系统 润滑系统 凝结水系统 给水回热系统 给水除氧系统等 六 级的分类1 纯冲动级 m 02 反动级 m 0 53 冲动级 m 0 05 0 34 复速级 m 0 五 级的反动度 汽流在动叶中的理想焓降与整个级的滞止理想焓降之比 m hb ht p0 ho hc0op0t0 hnp11 ht1t hn hbp22 hc22t hb 2t 1 纯冲动级 m 0特点 在动叶通道内 汽流流动方向截面是不变的 动叶前后压力相等 汽流在动叶通道内只改变方向而不膨胀 2 反动级 m 0 5特点 汽流在喷嘴和动叶的理想焓降相等 汽流在喷嘴和动叶的膨胀程度一样 在动叶通道内 汽流既改变方向又膨胀加速 改变方向给动叶以冲动力 膨胀加速给动叶以反动力 喷嘴和动叶几何形状相似 3 冲动级 m 0 05 0 3特点 兼有纯冲动级和反动级特点 4 复速级从热能到汽流动能转变次数在一次以上的级 主要为了级后余速利用 在第一级动叶后面加装一列固定的导叶只是改变汽流的方向使之同静叶出口方向相似 然后再推动第二级动叶作功 这样利用速度作功的级称为速度级 如果动叶出口的速度仞然很大可以设置更多这样的级 在汽轮机中常见的是双列速度级又称复速级 七 汽轮机分类 一 汽轮机的分类1 按照工作原理分类 冲动式 反动式 1 冲动式汽轮机 蒸汽主要在喷嘴中膨胀或在动叶中只有少量膨胀的汽轮机 2 反动式汽轮机 蒸汽在喷嘴中膨胀程度与在动叶中膨胀的程度相等的汽轮机 调节级采用冲动级 其它级均为反动级 2 按照热力特性分类 凝汽式 背压式 调整抽汽式 抽汽背压式 中间再热式 混压式 1 凝汽式汽轮机汽轮机排汽排入凝汽器的汽轮机 2 调整抽汽凝汽式汽轮机汽轮机除作为驱动用处外 还利用抽汽供给工业或采暖或同时供给二者的抽汽 抽汽压力在一定范围内可以进行调节 3 背压式汽轮机汽轮机排汽在高于大气压力下排出 排汽可供给工业或采暖热负荷的用汽 4 抽汽背压式汽轮机利用抽汽供给工业用汽 汽轮机排汽在高于大气压力下排出 排汽供采暖或其它热负荷用汽 抽汽压力在一定范围内可以进行调节 5 中间再热式汽轮机为了提高汽轮机效率 降低汽轮机最后几级的蒸汽湿度 将汽轮机高压缸排除蒸汽再送回锅炉再热器加热 然后送回中低压缸做功 6 回热式汽轮机利用汽轮机抽汽加热锅炉的给水 从而降低冷源损失 提高循环效率 3 按照进口蒸汽参数分类 低压 中压 高压 超高压 亚临界 超临界 八 汽轮机型号表示方法 例如 N300 16 7 538 538额定功率为300MW的凝汽式汽轮机 主蒸汽压力为16 7MPa 温度为538 C 再热蒸汽温度538 C 汽轮机型号中参数的表示方法 一 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程喷嘴的理想焓降 1 喷嘴出口理想速度 2 喷嘴出口实际速度 3 喷嘴损失 第二节 蒸汽在汽轮机级中的流动 喷嘴出口出流实际速度 式中 称为喷嘴速度系数 由它可求出实际流动过程中的喷嘴动能损失 即喷嘴损失 影响喷嘴速度系数的因素多 如喷嘴高度 叶型 汽道形状 压比及表面粗糙度等 而复杂 很难用理论计算精确求得 一般由试验确定 与叶片高度关系密切 为了减小喷嘴损失 尽量使 喷嘴出口汽流的实际比焓h1与理想比焓h1t之差即是喷嘴中的能量损失 其值为 动叶栅的进出口速度三角形绝对速度c 蒸汽相对于喷嘴的速度 相对速度w 蒸汽相对于动叶的速度 圆周速度u 叶轮旋转的圆周速度 二 汽流对动叶栅所作的轮周功率 单位时间内蒸汽推动动叶旋转所作出的机械功称为轮周功率 三 级的轮周效率1kg蒸汽所作出的轮周功wu与蒸汽在该级所消耗的理想能量E0之比称为级的轮周效率 轮周效率 分别为喷嘴损失 动叶损失 和余速损失 余速损失 蒸汽在动叶栅做功后 以绝对速度C2离开动叶栅 这部分动能没有在本级转变为机械功 造成的损失 第三节汽轮机的级内损失和级内效率1 喷嘴损失 hn 2 动叶损失 hb 3 余速损失 hc2 4 叶高损失 hl 又称端部损失 5 扇形损失 h 6 叶轮摩擦损失 hf 与转速三次方成正比 7 部分进汽损失 he 鼓风损失 斥汽损失 8 漏汽损失 h 叶顶漏汽 隔板漏汽 盖度 9 湿汽损失 hx 一 级内损失 级内损失主要有叶栅损失 余速损失 扇形损失 叶轮摩擦损失 部分进汽损失 漏汽损失 湿汽损失等 1 叶高损失又称为叶片端部损失这个损失是喷嘴动叶流动损失的一种 是指汽流在喷嘴和动叶栅的根部和顶部形成涡流所造成的损失 叶高损失一般在短叶片中比较大 当叶片高度小于12 15mm时 端部漩涡就十分大了 损失也就非常大 所以在设计汽轮机时 叶片的高度必须大于这个值 2 叶型损失喷嘴损失和动叶损失都属于叶型损失 1 附面层中的摩擦损失 2 附面层分离时的涡流损失 3 尾迹损失 3 余速损失 余速损失是指蒸汽在离开动叶时仍具有一定的速度 这部分速度能量在本级未被利用 所以是本级的损失 但是当汽流流入下一级的时候 汽流动能可以部分地被下一级所利用 4 叶轮摩擦损失 成因 蒸汽间速度差所受离心力不同 产生涡流 措施 减小叶轮和隔板间的间距减低叶轮表面粗糙度 5 部分进汽损失如果将喷嘴布置在隔板 或蒸汽室 的整个圆周上 使蒸汽沿整个圆周进汽 这种进汽方式称为全周进汽 为了增高喷嘴的高度 则将喷嘴布置在部分圆周上 使蒸汽沿部分圆弧进汽 这种进汽方式称为部分进汽 鼓风损失叶轮在非工作弧段与停滞蒸汽的摩擦将蒸汽鼓到另一侧斥汽损失排斥动叶通道内停滞的蒸汽进汽端吸入停滞蒸汽出汽端漏汽 6 漏汽损失 冲动级 隔板和轴之间反动级 还有动叶漏入级后措施 汽封装置 7 湿汽损失 1 湿蒸汽在喷嘴中膨胀加速时 一部分蒸汽凝结成水滴 使作功的蒸汽量减少 2 由于水滴本身不膨胀加速 所以悬浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸汽带动的 因此主汽流要消耗一部分动能 3 水滴进入动叶时正好冲击在动叶进口边背弧上 阻止了叶轮的旋转 从而消耗了一部分轮周功去克服这个阻力 造成损失 4 水滴速度慢 比蒸汽排汽角大 干扰主气流 造成损失 5 湿蒸汽在喷嘴中膨胀时 由于汽态变化非常快 蒸汽的一部分还来不及凝结成水 汽化潜热没有释放出来 形成了过饱和蒸汽或称过冷蒸汽 致使蒸汽的理想焓降减小 形成过冷损失 为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被水滴侵蚀损坏 常采用下列两种方法 一 是采用去湿装置 减少湿蒸汽中的水分 二 大机组采用中间再热三 提高动叶的抗侵蚀能力 8 扇形损失 扇形损失是指由于叶片沿轮缘成环形布置 使流道截面成扇形 因而 沿叶高方向各处的节距 圆周速度 进汽角是变化的 这样会引起汽流撞击叶片产生能量损失 汽流还将产生半径方向的流动 消耗汽流能量 八 级的相对内效率和内功率 内功率 1Kg蒸汽在汽轮机内做的有效功 相对内效率 级的有效焓降与级的理想能量之比 第二节 多级汽轮机 一 多级汽轮机出现的原因 1 提高初参数 降低背压 减小损失 2 增大进汽量 增大比焓降 3 焓降大的条件下 保持最佳速度比 二 多级汽轮机的优点 1 单级焓降小 速度系数提高 保证最佳速比 2 降低叶片速度 摩擦损失减小 摩擦损失与叶片速度三次方成正比 3 余速利用 4 重热现象 多级汽轮机由于前一级存在损失 使后面各级的热力过程线逐渐向右偏移 因为等压线斜率随温度的增大而增大 等压线呈扩散状 后面各级的理想焓降因而有所增大的现象 h h1t h1i h2i h2t h2tHi h3i h3t h3t h4i h4t h4tS 三 多级汽轮机的损失 一 多级汽轮机的外部损失1 机械损失 克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力 一定转速下不同负荷近似为常数 轴端功率 内功率 大功率机组机械效率高 2 轴封漏气损失 汽缸内压力高于当地大气压时 蒸汽外泄 做功损失 低于当地大气压时 空气漏入 破坏真空 高压轴封 防止蒸汽外泄 低压轴封 防止空气漏入 二 多级汽轮机的内部损失1 进汽阻力损失 摩擦损失 节流损失 由于节流导致焓降损失 2 排汽阻力损失 最末级后压力高于排气管出口压力 焓降减小 排汽管构造 先扩压后转向 先转向后扩压 3 导汽管和中间再热器的压力损失 连接管道 再热器和阀门 四 汽轮机及其装置的效率 一 相对效率1 汽